книги из ГПНТБ / Миндели, Э. О. Разрушение горных пород учебное пособие

ется их слоистость, а для метаморфических — сланцеватость (способ­ ность породы раскалываться по параллельным плоскостям).

Всем горным породам свойственны пористость и трещиноватость. Под п о р и с т о с т ь ю г о р н о й п о р о д ы подразумевается относительный объем содержащихся в ней пустот (открытых и за­ крытых пор). Чем больше пористость породы, тем меньше ее плот­ ность и прочность. С увеличением глубины залегания плотность горных пород обычно возрастает. Т р е щ и н о в а т о с т ь г о р ­ н ы х п о р о д связана с условиями их образования или тектони­ ческими процессами, происходящими в земной коре. Трещины уменьшают сопротивляемость горных пород внешним механическим воздействиям. Кроме пор п трещин на свойства горных пород влияет наличие поверхностей, по которым силы сцепления оказываются ослабленными (плоскости наслоения, отдельности, кливаж).

Большинство горных пород неоднородны как по составу, так и по строению и сложению. При этом неоднородность характерна не только для сложных горных пород, но и для таких простых пород, как, например, известняк и гипс, которые могут включать в себя различные минеральные примеси в виде глины и песка. В сложных горных породах неоднородные по составу зерна обычно распреде­ ляются неравномерно, что увеличивает неоднородность состава породы в целом. Даже свойства образцов одной и той же породы, но отобранных из разных мест, обычно неодинаковы.

Неоднородность состава, строения и сложения горных пород обусловливает неоднородность и различие в их физических свой­ ствах — пористости, плотности, трещиноватости и др.

Механические свойства горных пород. К механическим относятся свойства горных пород, характеризующие их способность сопро­ тивляться силам воздействия и в зависимости от их вида и интен­ сивности изменять размеры, форму и целостность.

Горные породы в большинстве случаев анизотропны, т. е. свой­ ства их в различных направлениях неодинаковы.

Механические свойства горных пород разделяются н р упругие, прочностные, гидравлические, газодинамические и специальные технологические. Свойства горных пород не являются величинами постоянными, а зависят от размера образцов, от способа и скорости нагружения, а поэтому их определяют при стандартных условиях.

Упругие свойства горных пород — способность горной породы восстанавливать свои первоначальные размеры и форму после снятия напряжения, а также передавать с определенной скоростью упругие колебания.

Упругие свойства горных пород могут определяться путем на­ гружения образца в пределах упругости и получения при этом графика «сила — деформация».

Для многих горных пород зависимость между напряжениями и деформациями при нагружении может быть приближенно принята линейной. Однако при снятии нагрузки часто форма и размеры образца восстанавливаются не полностью и даже при относительно

10

небольших напряжениях наблюдаются остаточные деформации. Точными исследованиями установлено,что эта зависимость является нелинейной, а форма этой зависимости обусловлена свойствами кри­ сталлических компонентов, составляющих данную породу.

Упругие свойства горных пород не идентичны свойствам отдель­ ных кристаллов, так как в поликристаллической горной породе зерна по своим границам ведут себя как вязкие элементы, в то время как сами кристаллы остаются упругими. Предел упругости для пород вообще не является постоянной величиной и зависит от времени дей­ ствия приложенной нагрузки. Упругие свойства горных пород зависят от влажности, пористости, а также от формы и размеров испытываемых образцов. К наиболее распространенным упругим характеристикам пород относятся модуль упругости (для горных пород чаще всего определяемый при сжатии) и коэффициент Пуассона.

Упругие свойства горных пород могут быть определены и по аку­ стическим характеристикам. Полученные величины обычно имеют более высокие значения, чем упругие характеристики, определен­ ные при сжатии образцов на прессе.

Прочностные характеристики пород: пределы прочности на сжатие, на растяжение на срез и на изгиб.

При превышении предела прочности для большинства горных пород характерно практически мгновенное разрушение образцов, а для некоторых горных пород при длительных статических воздей­ ствиях и простом напряженном состоянии возможно пластическое течение (каменная соль, глина и т. д.). Прочность образца связана с его геометрической формой и абсолютными размерами. При увели­ чении размеров образцов прочность породы снижается из-за увели­ чения трещин в испытуемом образце. Прочность горных пород обычно возрастает с увеличением глубины залегания.

Скорость нагружения оказывает весьма существенное влияние на прочность породы. С увеличением скорости нагружения сопро­ тивляемость пород разрушению увеличивается. Предел прочности горных пород на сжатие достигает 3000—3200 кгс/см2, а на растяже­ ние обычно в 10 раз и более меньше прочности на сжатие. Пределы прочности на сдвиг и изгиб больше предела прочности на растяжение, но намного меньше предела прочности на сжатие.

П л а с т и ч н о с т ь — способность горной породы под воздей­ ствием нагрузки изменять свою форму без разрыва сплошности и сохранять полученную форму. Она увеличивается с увеличением температуры и давления. Наиболее пластичными являются глины, каменная соль и некоторые другие горные породы.

Пластичность можно определять путем вдавливания штампа

впороду на прессе или на специальном приборе УМГП-3.

Хр у п к о с т ь — свойство горной породы как твердого тела разрушаться без заметной остаточной деформации под действием внешних сил. Коэффициент хрупкости горных пород предложено определять как отношение работы деформации в чисто упругой области к общей работе деформации до момента разрушения.

11

Внастоящее время провести резкую границу между хрупкими

ипластичными горными породами затруднительно, так как одна и та же горная порода в зависимости от скоростей приложения нагрузки может проявить себя и как хрупкое и как пластичное тело.

Из исследований по физике твердого тела известно, что некоторые материалы являются в обычных условиях пластичными, а при повы­

шении скорости нагружения ведут себя как хрупкие тела, например вар, лед, каменная соль и т. д.

В я з к о с т ь — свойство горной породы оказывать сопротив­ ление постоянной величины взаимному движению частиц этой по­ роды с постоянной относительной скоростью их друг относительно друга.

Т в е р д о с т ь — свойство породы оказывать сопротивление про­ никновению в нее другого тела. Различают микротвердость и агре­ гатную твердость. Последняя отражает твердость не только отдель­ ных компонентов кристаллов, но и цементирующего вещества. Раз­ личают статическую и динамическую твердость.

Для определения твердости применительно к механическому разрушению пород инструментом применяют метод вдавливания пндентора статической и динамической нагрузкой.

В последние годы получил распространение метод статического вдавливания штампа цилиндрической или конической формы с пло­ ским основанием в необработанную поверхность образца горной породы. При этом записывается график «сила — деформация». Предельную силу до момента первого выкола рекомендовано назы­ вать контактной прочностью, величина которой вычисляется по

формуле

П

Связь между контактной прочностью и твердостью по штампу выражается эмпирической зависимостью

РК~ 0 ,6 2 Р Ш,

А б р а з и в н о с т ь — свойство горной породы истирать по­ верхность трущихся о нее рабочих инструментов горных машин. При этом износ инструмента происходит в результате царапания его поверхности твердыми частицами горной породы. Абразивность горной породы зависит от свойств и размеров кристаллов и зерен, их ориентировки и связи с цементирующим составом породы. При механических способах бурения плоскости сцепления кристаллов с цементирующим веществом являются очагами интенсивного износа лезвияI инструмента.

12

О влиянии абразивности горных пород при бурении можно» судить по величине износа лезвия инструмента или умеыыпеншо его массы.

Степень влияния абразивности буримых пород определяется числом пробуренных шпурометров или изменением механической скорости бурения.

При этом показатель абразивности породы А к определяется по формуле

где В г, В 2 — масса буровой коронки до и после бурения, г; I — количество пробуренных шпурометров, м.

Для количественной оценки абразивности используют коэффи­ циент абразивности

,_ As

^абр —

где As — износ на единицу пути; р — нагрузка.

Наиболее простым является метод оценки абразивности осно­ ванный на истирании торцов цилиндрических стальных стержней при вращательном движении о необработанную поверхность образца горной породы. Показателем относительной абразивности здесь служит потеря веса истираемого стержня.

Применительно к алмазному бурению, скорость которого в боль­ шинстве случаев зависит от износа матрицы, в ЦНИГРИ разработаны метод и аппаратура для определения абразивности горных пород в полевых условиях. Этот метод основан на истирании свинцовых шариков диаметром 4,2—4,3 мм в заданное время. Значение абразив­ ности испытуемой породы подсчитывается по формуле

&абр ==

где В — потеря массы истираемого материала (дробь).

Как правило, с увеличением твердости абразивность увеличи­ вается. В общем случае крепкие породы сильнее изнашивают инстру­ мент. Но делать однозначный вывод о том, что по значению проч­ ности можно с достаточной надежностью судить о ее абразивности; нельзя. Так, для песчаников абразивность находится не в прямой, а в обратной зависимости от твердости.

Породы типа глинистых сланцев и песчаников, наиболее часто встречающихся при разработке угольных месторождений, имеют на ряде шахт примерно одинаковую крепость. Однако в зависимости ст абразивности износостойкость резцов вращательного бурения может отличаться в 10—12 раз.

При ведении горных работ часто бывает необходимым опреде­ лять не только физико-механические свойства вообще, но и знать

13

горно-технологические показатели пород, характерные для того или иного технологического процесса. Наиболее распространенными технологическими показателями являются: крепость, бурпмость, взрываемость, дробимость горных пород.

Крепость породы является обобщающим показателем, характе­ ризующим сопротивляемость горных пород различным механическим воздействиям (сжатию, удару, истиранию, бурению и т. д.). Проф. М. М. Протодьяконов (старший) предложил оценивать крепость горных пород коэффициентом, численно равным / = осж/100. В по­ следнее время рекомендуется коэффициент крепости определять по формуле

4 _ ° с ж

140 ’

где стсж — предел крепости породы на сжатие.

Позднее проф. М. М. Протодьяконов (младший) предложил

определять коэффициент крепости методом толчения на приборе

пок.

Бу р и м о с т ь — сопротивляемость горной породы разрушению

впроцессе бурения. Буримость определяется чистой скоростью бурения при стандартных условиях.

На основе опытного определения бурнмостн составляются клас­ сификации горных пород по бурнмостн, которые используют для нормирования буровых работ.

В з р ы в а е м о с т ь — сопротивляемость горной породы раз­ рушению взрывом. Взрываемость характеризуется количеством взрывчатого вещества, расходуемого для разрушения единицы объема горной породы. Такой показатель называют удельным рас­ ходом ВВ.

Удельный расход ВВ может определяться при различных условиях. Часто в качестве стандарта принимают образование воронки выброса в массиве горной породы с одной обнаженной поверхностью с глубиной и радиусом основания воронки взрыва

1 м.

По полученным значениям удельных расходов ВВ состав­ ляется шкала горных пород по взрываемости.

Общим недостатком таких шкал является то, что ими не учи­ тывается степень дробления взорванной породы и трещиноватость массива, которые характеризуют энергоемкость разрушения и при прочих равных условиях могут быть различными.

Д р о б и м о с т ь — сопротивление горной породы разрушению; может быть оценена расходом энергии на дробление горной породы.

Для определения дробимости горных пород разработано несколько методов: одиночного и ящичного сбрасывания падающим грузом, размола, раздавливания и толчения. Для вычисления показателей дробимости определяют гранулометрический состав продукта раз­

14

рушения, а затем удельный расход энергии, по величине которого классифицируют горные породы.

Свойства горных пород при динамическом нагружении. Свойства горных пород, полученные при динамическом нагружении значитель­ но отличаются от свойств, полученных при статических нагрузках.

Внастоящее время четкого разграничения между динамическими

истатическими нагрузками провести нельзя. Более правильно все процессы, связанные с разрушением, считать динамическими, однако степень динамичности разных процессов будет различная. Поэтому граница между динамическими и статическими нагрузками является условной.

Кдинамическим свойствам горных пород относятся следующие: коэффициент крепости по Протодьяконову, определенный по методу толчения на приборе ПОК, акустические свойства пород (скорости распространения упругих волн, динамический модуль упругости, динамический коэффициент Пуассона, акустическая жесткость, ди­ намический модуль сдвига), динамическая удельная энергоемкость разрушения, твердость и пластичность, полученные на склероскопе Шора.

Метод определения динамической пластичности основан на изме­ рении эффекта контактного упрочнения пород при повторных микроударах в одну и ту же точку образца. Оценка пластичности породы производится при многократных повторных соударениях и отскоках на нескольких образцах в 5—10 выбранных точках. Число ударов в одну точку изменяется в зависимости от свойств породы.

Удары прекращаются тогда, когда твердость (высота отскока) достигает некоторой максимальной или минимальной (для данной породы) величины и при последующих ударах остается примерно постоянной.

Количественную оценку динамической пластичности определяют по формуле

Ку = Гпр~ Гнач100%,

J I нач

где К у — коэффициент уплотнения, характеризующий пластичность породы, %; Гпр — предельная (наибольшая) твердость породы в пре­ дельно уплотненном состоянии; Гнач — начальная твердость породы (при первом ударе).

Для весьма пластичных пород К у составляет 200—400%. Динамическую твердость определяют несколькими методами.

Наиболее распространенными из них являются: метод определения динамической твердости по упругому отскоку (на приборе типа Шора). На поверхность испытываемого образца горной породы сбрасывается с постоянной высоты боек с алмазным сферическим наконечником и по средней высоте отскока бойка при многократном сбрасывании в разные места образца судят о твердости породы. Известен также метод определения динамической твердости, основанный на измере­ нии энергии, требующейся для внедрения пуансона определенной

15

длины (ударник ДОРНИИ). В породу внедряют пуансон определен­ ной длины, при этом энергия одного удара остается постоянной. За показатель твердости принимается число ударов, необходимое для полного внедрения пуансона.

В последнее время разработай метод определения динамической твердости пород, основанный на динамическом внедрении штампа в слабо обработанную поверхность образца горной породы (после распиловки алмазным диском). Штамп цилиндрической или кони­ ческой формы с плоским основанием ударом внедряется в породу. При этом записывается график «сила — внедрение». За показатель динамической твердости принято усилие на штампе в момент первого выкола породы.

Динамический модуль упругости

£ д = СщР> ГС/СМ2;

где с„р — скорость продольной волны, см/с; р — плотность породы, г/см3.

Динамический коэффициент пуассона

_ 0,5—Л2

1 -Л 2 ’

где В — отношение скорости поперечной волны к скорости продоль­ ной волны.

Динамический модуль сдвига

G = chP i г с / с м 2,

где сп — скорость поперечной волны, см/с. Акустическая жесткость

Х = рспр, г/см2-с.

Динамическую удельную энергоемкость разрушения определяют на вертикальных копрах. Процесс определения состоит в сбрасыва­ нии груза на испытываемый образец с постоянно увеличивающейся высоты. Каждую последующую высоту падения груза увеличивают на 1 см.

Удельную энергию разрушения на единицу объема образца определяют по формуле

Ауа = ~ {n}yi)n » кгс/см3,

где V — объем образца, см3-; п — порядковый номер удара, при ко­ тором произошло разрушение образца; р — масса груза, кг.

Для примера в табл. 1 приведены некоторые результаты исследо­ вания упругих и прочностных свойств пород, полученные в ИГД

им. А. А. Скочинского статическими (на прессе) и динамическими методами.

Кроме рассмотренных выше свойств горных пород, в последнее время в горнотехнической литературе все чаще стали появляться

16

т—*—• <

характеризующие такие свойства горных пород, которыми опреде­ ляются тепловые процессы с участием этих пород. К теплофизиче­ ским параметрам горных пород относятся теплопроводность, тепло­ емкость, температуропроводность, коэффициенты объемного и линей­ ного расширения, теплоотдача, плавкость, испаряемость, морозо­

деле коэффициенты расширения имеют большое значение при раз­ рушении горных пород термическими и электрофизическими ме­ тодами.

П л а в к о с т ь горных пород характеризуется количеством тепла, необходимого для расплавления единицы объема.

М о р о з о с т о й к о с т ь характеризуется количеством цик­ лов оттаивания и замораживания, при которых образец горной по­ роды теряет свою прочность.

Электрические и магнитные свойства горных пород. К электри­ ческим свойствам горных пород относятся: диэлектрическая прони­ цаемость, угол диэлектрических потерь и электрическое сопротивле­ ние.

Относительная диэлектрическая проницаемость пород характери­ зуется уменьшением напряженности электрического поля в иссле­ дуемой породе по отношению к его напряженности в вакууме.

Угол диэлектрических потерь или, вернее, тангенс угла диэлек­ трических потерь характеризует ту часть электрической энергии, которая выделяется в горной породе в виде тепла при воздействии на нее переменного электрического поля.

Электрическое удельное сопротивление горных пород характери­ зуется способностью их проводить ток. К главнейшим магнитным свойствам горных пород относятся магнитная проницаемость и маг­ нитная восприимчивость.

Относительной магнитной проницаемостью горных пород назы­ вается отношение абсолютной магнитной проницаемости породы к абсолютной магнитной проницаемости в вакууме.

Влияние свойств горных пород на расчет и нормирование буро­ взрывных работ. В настоящее время для расчета и нормирования

18

буровзрывных работ, как правило, используется коэффициент кре­ пости пород по шкале проф. М. М. Протодьяконова (старшего). Однако породы, имеющие одинаковый коэффициент крепости, не­ редко, по-разному изнашивают буровой инструмент, т. е. имеют раз­ личные показатели абразивности, которые в значительной степени предопределяют дробимость и энергоемкость разрушения горных пород разными способами, включая и взрыв.

Кроме того, характеристики горных пород, полученные на образ­ цах при малых скоростях нагружения, могут сильно отличаться ■от этих характеристик в массиве, полученных при динамическом нагружении, например при взрыве. Поэтому расчеты буровзрывных работ, произведенные с применением только одного коэффициента крепости, могут дать ошибочные результаты.

Учитывая сказанное, при расчете и нормировании буровзрывных работ следует кроме коэффициента крепости дополнительно исполь­ зовать характеристики горных пород, которые характеризуют дан­ ный технологический процесс и имеют с ними тесную корреляцион­ ную связь.

Например, при расчете и нормировании буровых работ лучше использовать твердость, контактную прочность и абразивность. А при расчете и нормировании взрывных работ находит применение акустическая жесткость, хрупкость и т. д.

Поскольку буровзрывные работы предназначены в основном для разрушения массива горных пород, свойства этих пород, использу­ емые при расчетах, желательно определять также в массиве, а не в образцах, так как при этом будут учтены все особенности строения и состояния пород в массиве.

Необходимо, чтобы характер и скорость нагружения или деформи­ рования пород при бурении и взрывании соответствовали бы этим же условиям при определении свойств горных пород, т. е. если про­ цесс разрушения горных пород является динамическим, то и свой­ ства пород должны быть получены в условиях динамического нагру­ жения.

Наиболее широкое применение при решении задач разрушения пород взрывом нашли показатели: коэффициент крепости по шкале проф. М. М. Протодьяконова, плотность, скорость распространения продольной и поперечной волн и их затухание, предел прочности пород на сжатие и растяжение. Кроме этого имеются исследования, рекомендующие диаграмму ударной сжимаемости пород в коорди­ натах Р — V.

При расчете процессов бурения и бурового инструмента незави- . симо от вида бурения (вращательного, ударно-вращательного или ударного) используются одни и те же свойства пород, полученные статическим методом.

При шарошечном бурении находят применение твердость по штампу; коэффициент пластичности; удельная объемная работа разрушения; удельная контактная работа разрушения, получаемая по методу Л. А. Шрейнера.

2*